車輛系統(tǒng)動力學(xué)第二講

1、主要內(nèi)容：第一節(jié)第一節(jié) 鐵道車輛系統(tǒng)動力性能鐵道車輛系統(tǒng)動力性能第二節(jié)第二節(jié) 車輛運(yùn)行安全性及評判標(biāo)準(zhǔn)車輛運(yùn)行安全性及評判標(biāo)準(zhǔn)第三節(jié)第三節(jié) 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 重點(diǎn)介紹目前常用的介紹目前常用的Sperling評價(jià)方法以及評價(jià)方法以及ISO標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。第一節(jié)第一節(jié) 鐵道車輛系統(tǒng)動力性能鐵道車輛系統(tǒng)動力性能高速鐵路動態(tài)安全性和運(yùn)行舒適性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將直接高速鐵路動態(tài)安全性和運(yùn)行舒適性的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)將直接影響線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。衡量這些性能的主要指影響線路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性。衡量這些性能的主要指標(biāo)如下表。標(biāo)如下表。第二節(jié)第二節(jié) 車輛運(yùn)行安全性及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)車輛運(yùn)行安全性及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2、車輛運(yùn)行安全性主要涉及車輛是否會出車輛運(yùn)行安全性主要涉及車輛是否會出現(xiàn)脫軌和傾覆問題?，F(xiàn)脫軌和傾覆問題。車輪脫軌根據(jù)過程不同大體可分為車輪脫軌根據(jù)過程不同大體可分為爬軌脫軌爬軌脫軌跳軌脫軌跳軌脫軌掉道脫軌掉道脫軌 車輛運(yùn)行穩(wěn)定性主要包括防止蛇行運(yùn)動的穩(wěn)定性、車輛運(yùn)行穩(wěn)定性主要包括防止蛇行運(yùn)動的穩(wěn)定性、防止脫軌的穩(wěn)定性和車輛傾覆的穩(wěn)定性。防止脫軌的穩(wěn)定性和車輛傾覆的穩(wěn)定性。評價(jià)指標(biāo)：評價(jià)指標(biāo)：脫軌系數(shù)、輪重減載率，傾覆系數(shù)。脫軌系數(shù)、輪重減載率，傾覆系數(shù)。我國主要采用脫軌系數(shù)和輪重減載率兩項(xiàng)指標(biāo)。我國主要采用脫軌系數(shù)和輪重減載率兩項(xiàng)指標(biāo)。一、防止蛇行運(yùn)動的穩(wěn)定性一、防止蛇行運(yùn)動的穩(wěn)定性 在輪軌間

3、蠕滑力的作用下，車輛運(yùn)行到達(dá)某一臨界速度時(shí)在輪軌間蠕滑力的作用下，車輛運(yùn)行到達(dá)某一臨界速度時(shí)會發(fā)生蛇行失穩(wěn)的自激振動即蛇行運(yùn)動。會發(fā)生蛇行失穩(wěn)的自激振動即蛇行運(yùn)動。 高速時(shí)的蛇行運(yùn)動表現(xiàn)為輪對和轉(zhuǎn)向架的激烈的橫向振動，高速時(shí)的蛇行運(yùn)動表現(xiàn)為輪對和轉(zhuǎn)向架的激烈的橫向振動，它威脅到行車安全。它威脅到行車安全。 為此，要求車輛蛇行運(yùn)動的臨界速度為此，要求車輛蛇行運(yùn)動的臨界速度Vc要遠(yuǎn)高于其最高要遠(yuǎn)高于其最高運(yùn)行速度，以保證有足夠的安全裕量。運(yùn)行速度，以保證有足夠的安全裕量。此外，一輛車即使有足夠的速度裕量，但如阻尼過小，仍有此外，一輛車即使有足夠的速度裕量，但如阻尼過小，仍有可能在運(yùn)行中收到某些激勵(lì)

4、致使振動不能很快衰減?？赡茉谶\(yùn)行中收到某些激勵(lì)致使振動不能很快衰減。因此，要求車輛的各種振型在運(yùn)行速度范圍因此，要求車輛的各種振型在運(yùn)行速度范圍內(nèi)應(yīng)有足夠的阻尼。內(nèi)應(yīng)有足夠的阻尼。車輛運(yùn)行時(shí)，在線路狀態(tài)、運(yùn)行條件、車輛結(jié)構(gòu)車輛運(yùn)行時(shí)，在線路狀態(tài)、運(yùn)行條件、車輛結(jié)構(gòu)參數(shù)和裝載等因素最不利的組合下可能導(dǎo)致車輪參數(shù)和裝載等因素最不利的組合下可能導(dǎo)致車輪脫軌。脫軌。二、防止脫軌的穩(wěn)定性二、防止脫軌的穩(wěn)定性評定防止車輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)用評定防止車輪脫軌穩(wěn)定性的指標(biāo)用“脫軌系數(shù)脫軌系數(shù)”。1、脫軌系數(shù)、脫軌系數(shù)定義定義：脫軌系數(shù)用于評定車輛的車輪輪緣在橫向力作用脫軌系數(shù)用于評定車輛的車輪輪緣在橫向力作用下

5、是否會爬上軌頭而脫軌。脫軌系數(shù)為爬軌側(cè)車輪作用下是否會爬上軌頭而脫軌。脫軌系數(shù)為爬軌側(cè)車輪作用于鋼軌上的于鋼軌上的橫向力橫向力Q與其作用于鋼軌上的與其作用于鋼軌上的垂向力垂向力P的比值，的比值，即即Q/P 。一直以來所使用的脫軌系數(shù)，無論從理論計(jì)算還是測量一直以來所使用的脫軌系數(shù)，無論從理論計(jì)算還是測量數(shù)據(jù)整理上來看，均可以分為兩類：數(shù)據(jù)整理上來看，均可以分為兩類：（1）不考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)，它是判定車輪是否有）不考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)，它是判定車輪是否有可能對軌道產(chǎn)生可能對軌道產(chǎn)生“逐漸升高現(xiàn)象逐漸升高現(xiàn)象”而使用的脫軌系數(shù)。而使用的脫軌系數(shù)。（2）考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)，它是為了判定當(dāng)

6、產(chǎn)生較）考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)，它是為了判定當(dāng)產(chǎn)生較大的沖擊性橫向力時(shí)，車輪是否會有可能產(chǎn)生大的沖擊性橫向力時(shí)，車輪是否會有可能產(chǎn)生“騰空現(xiàn)騰空現(xiàn)象象”，是一種考慮了橫向力作用時(shí)間的評價(jià)方法。，是一種考慮了橫向力作用時(shí)間的評價(jià)方法。1）、不考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)）、不考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)脫軌系數(shù)最初由脫軌系數(shù)最初由法國科學(xué)家法國科學(xué)家Nadal提出，他是根據(jù)提出，他是根據(jù)爬軌側(cè)車輪在爬軌側(cè)車輪在脫軌臨界狀態(tài)時(shí)脫軌臨界狀態(tài)時(shí)輪軌接觸點(diǎn)上力的平輪軌接觸點(diǎn)上力的平衡條件，推倒出的表達(dá)式。衡條件，推倒出的表達(dá)式。假設(shè)車輪與鋼軌接觸點(diǎn)位于輪對中心線垂直平面內(nèi)假設(shè)車輪與鋼軌接觸點(diǎn)位于輪對中心線垂直平面內(nèi)

7、（無輪對沖角），（無輪對沖角），圖圖2-2（a）所示的車輪處于脫軌）所示的車輪處于脫軌臨界狀態(tài)時(shí)的鋼軌受力關(guān)系，接觸斑處車輪受力如臨界狀態(tài)時(shí)的鋼軌受力關(guān)系，接觸斑處車輪受力如圖圖2-2（b）。）。圖圖2-2（b）中各作用力分別向輪對接觸點(diǎn)）中各作用力分別向輪對接觸點(diǎn)A的切線方的切線方向和法線方向投影，可得：向和法線方向投影，可得：N=Pcos +Qsin T=Psin -Qcos （2-1）Q作用于輪緣上的橫向力；作用于輪緣上的橫向力；P作用于車輪上的垂向力；作用于車輪上的垂向力；N鋼軌對車輪的法向反力；鋼軌對車輪的法向反力；T鋼軌對車輪的切向反力；鋼軌對車輪的切向反力； 車輪輪緣角車輪輪緣角

8、。 國際鐵路聯(lián)盟國際鐵路聯(lián)盟UIC規(guī)定規(guī)定Q/P1.2；德國；德國ICE高速列高速列車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)Q/P0.8；日本既有線鐵路提速試驗(yàn)；日本既有線鐵路提速試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)也規(guī)定Q/P0.8,；北美鐵路則規(guī)定；北美鐵路則規(guī)定Q/P1.0.我國制定的脫軌系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見下表。表中的第一限我國制定的脫軌系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)見下表。表中的第一限度為合格標(biāo)準(zhǔn)，第二標(biāo)準(zhǔn)為增大了安全裕度的標(biāo)度為合格標(biāo)準(zhǔn)，第二標(biāo)準(zhǔn)為增大了安全裕度的標(biāo)準(zhǔn)。準(zhǔn)。2)、考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)、考慮作用時(shí)間的脫軌系數(shù)在在JR標(biāo)準(zhǔn)中，還考慮了輪軌間發(fā)生沖擊時(shí)車輪的脫軌安標(biāo)準(zhǔn)中，還考慮了輪軌間發(fā)生沖擊時(shí)車輪的脫軌安全性問題。考慮橫向沖擊力的作用時(shí)

9、間全性問題?？紤]橫向沖擊力的作用時(shí)間t大于大于0.05s以上以上時(shí)，以時(shí)，以0.8作為標(biāo)準(zhǔn)值，若作用時(shí)間小于作為標(biāo)準(zhǔn)值，若作用時(shí)間小于0.05s,將將Q/P=0.04/t所得的值作為標(biāo)準(zhǔn)值。所得的值作為標(biāo)準(zhǔn)值。2)、輪重減載率、輪重減載率對于脫軌安全性指標(biāo)來說最基本的就是脫軌系數(shù)。但對于脫軌安全性指標(biāo)來說最基本的就是脫軌系數(shù)。但是，僅依靠脫軌系數(shù)來判定安全性，卻不充分。其主是，僅依靠脫軌系數(shù)來判定安全性，卻不充分。其主要原因是：要原因是：（1）輪重較小時(shí)與其對應(yīng)的橫向力一般也較小，計(jì)算脫軌系）輪重較小時(shí)與其對應(yīng)的橫向力一般也較小，計(jì)算脫軌系數(shù)時(shí)受到輪重和橫向力測量誤差的影響就較大，因此要獲得正

10、數(shù)時(shí)受到輪重和橫向力測量誤差的影響就較大，因此要獲得正確的脫軌系數(shù)比較困難。確的脫軌系數(shù)比較困難。（2）垂向力較小時(shí)，使用該垂向力和與其對應(yīng)的橫向力得到）垂向力較小時(shí)，使用該垂向力和與其對應(yīng)的橫向力得到的脫軌系數(shù)很容易達(dá)到脫軌極限值；另一方面，單側(cè)車輪輪重的脫軌系數(shù)很容易達(dá)到脫軌極限值；另一方面，單側(cè)車輪輪重減小時(shí)，另一側(cè)車輪輪重一般會增大，此時(shí)極小的輪對沖角變減小時(shí)，另一側(cè)車輪輪重一般會增大，此時(shí)極小的輪對沖角變化會導(dǎo)致較大的橫向力，從而加大了脫軌的危險(xiǎn)性。化會導(dǎo)致較大的橫向力，從而加大了脫軌的危險(xiǎn)性。（3）根據(jù)多次線路試驗(yàn)來看，與其說脫軌系數(shù)值較大容易導(dǎo)）根據(jù)多次線路試驗(yàn)來看，與其說脫軌系

11、數(shù)值較大容易導(dǎo)致列車脫軌，還不如說輪重減少的越多越容易導(dǎo)致列車脫軌。致列車脫軌，還不如說輪重減少的越多越容易導(dǎo)致列車脫軌。因此，提出了因此，提出了輪重減載率輪重減載率這個(gè)指標(biāo)評判機(jī)車車輛這個(gè)指標(biāo)評判機(jī)車車輛/動車動車組脫軌的安全性。組脫軌的安全性。 我國我國鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范（GB5599-85）、）、高速試驗(yàn)列車動力車強(qiáng)度及動高速試驗(yàn)列車動力車強(qiáng)度及動力學(xué)性能規(guī)范力學(xué)性能規(guī)范（95J01L）注：一般在過曲線時(shí)采用。注：一般在過曲線時(shí)采用。車輛運(yùn)行時(shí)，在側(cè)向風(fēng)力、離心力和橫向振動慣性力的最不車輛運(yùn)行時(shí)，在側(cè)向風(fēng)力、離心力和橫向振動慣性力的最

12、不利組合下可使車輛向一側(cè)傾覆，車輛是否傾覆用傾覆系數(shù)利組合下可使車輛向一側(cè)傾覆，車輛是否傾覆用傾覆系數(shù)D來衡量。來衡量。當(dāng)車輛一側(cè)車輪輪重減載至零時(shí)，車輛達(dá)到傾覆的臨界狀當(dāng)車輛一側(cè)車輪輪重減載至零時(shí)，車輛達(dá)到傾覆的臨界狀態(tài)。此時(shí)，態(tài)。此時(shí)，D=1。因此為了防止車輛傾覆，必須滿足因此為了防止車輛傾覆，必須滿足D1條件。我國條件。我國鐵道鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范（GB5599-85）、）、高速試驗(yàn)列車動力車強(qiáng)度及動力學(xué)性能規(guī)范高速試驗(yàn)列車動力車強(qiáng)度及動力學(xué)性能規(guī)范（95J01L）規(guī)定）規(guī)定D0.8。3、防止車輛傾覆的穩(wěn)定性、防止車輛傾覆的穩(wěn)定性 式中 、

13、 式中式中、式中、-分別為車輛同一側(cè)車輪上總的動、靜載荷。分別為車輛同一側(cè)車輪上總的動、靜載荷。 4、軌道結(jié)構(gòu)動力作用評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、軌道結(jié)構(gòu)動力作用評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在提速及高速線路上，由于列車運(yùn)行速度提高，輪軌之間動力作用隨之增加。必須對輪軌間的動力作用加以限制。主要包括：輪軌垂向力、輪軌輪軌垂向力、輪軌橫向力和輪軸橫向力。橫向力和輪軸橫向力。1、輪軌垂向力設(shè)計(jì)載荷：設(shè)計(jì)載荷：是考慮了因車輪扁疤等因素引起的輪軌動力沖擊作用而采用的載荷。最大扁疤引起的輪重可取靜輪重的靜輪重的3倍倍，并將其作為設(shè)計(jì)載荷。德國聯(lián)邦鐵路規(guī)定，輪軌垂向力不允許超過極限值170kN。我國 高速試驗(yàn)列車動力車強(qiáng)度及動力學(xué)性能規(guī)范（95

14、J01L）規(guī)定2、輪軌橫向力輪軌橫向力的限值主要根據(jù)木枕線路道釘所能承受的橫向力極限、鋼軌彈性和扣件的橫向設(shè)計(jì)載荷來確定。木枕鉤頭道釘軌道在過大的輪軌橫向力作用下，表現(xiàn)為道釘被擠出引起軌距擴(kuò)大、道釘上拔引起鋼軌轉(zhuǎn)動道釘被擠出引起軌距擴(kuò)大、道釘上拔引起鋼軌轉(zhuǎn)動兩種破壞形式。日本研究之后，提出了道釘擠壓、拔起的橫向力極限值。我國鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范（GB5599-85）規(guī)定：（1）道釘拔起，道釘應(yīng)力為彈性極限的限度：（2）道釘拔起，道釘應(yīng)力為屈服極限的限度：歐美鐵路根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，要求：3、輪軸橫向力對于無縫鐵路穩(wěn)定性問題的研究表明，過大的輪軸橫向力是導(dǎo)致軌排橫移、無縫線路動態(tài)失穩(wěn)產(chǎn)

15、生脹軌跑道現(xiàn)象的最主要原因。我國鐵道車輛動力學(xué)性能評定和試驗(yàn)鑒定規(guī)范（GB5599-85）規(guī)定我國 高速試驗(yàn)列車動力車強(qiáng)度及動力學(xué)性能規(guī)范（95J01L）和高速試驗(yàn)列車客車強(qiáng)度及動力學(xué)性能規(guī)范（95J01M）參照了UIC標(biāo)準(zhǔn)。第三節(jié) 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性及評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)乘坐舒適度的含義：乘坐舒適度的含義：（乘坐舒適度）（乘坐舒適度）列車晃動、滾動等列車晃動、滾動等（線路、軌道狀態(tài)、車輛（線路、軌道狀態(tài)、車輛狀態(tài)等）狀態(tài)等）車輛的舒適性車輛的舒適性車內(nèi)環(huán)境中的物理部分車內(nèi)環(huán)境中的物理部分（車輛內(nèi)部裝飾、溫度濕度、車內(nèi)噪聲等（車輛內(nèi)部裝飾、溫度濕度、車內(nèi)噪聲等）車內(nèi)的舒適性車內(nèi)的舒適性最廣義的乘坐舒適性最廣義

16、的乘坐舒適性關(guān)于車內(nèi)環(huán)境的事情（乘務(wù)員服務(wù)態(tài)度、其他乘客態(tài)度等）關(guān)于車內(nèi)環(huán)境的事情（乘務(wù)員服務(wù)態(tài)度、其他乘客態(tài)度等）利用鐵路旅行的舒適性利用鐵路旅行的舒適性關(guān)于利用鐵路旅行的事情（車站設(shè)備、購票難度等）關(guān)于利用鐵路旅行的事情（車站設(shè)備、購票難度等）旅行的舒適性旅行的舒適性關(guān)于旅行的事情（從準(zhǔn)備到回憶的全過程）關(guān)于旅行的事情（從準(zhǔn)備到回憶的全過程）列車的振動從人體生理學(xué)的角度，有三個(gè)有害范圍：列車的振動從人體生理學(xué)的角度，有三個(gè)有害范圍：第一個(gè)頻率范圍是小于第一個(gè)頻率范圍是小于1Hz的振動，會使人頭暈；的振動，會使人頭暈；2) 第二個(gè)頻率范圍是第二個(gè)頻率范圍是4-8Hz的振動，會使人迅速疲勞；的

17、振動，會使人迅速疲勞； 3) 第三個(gè)頻率范圍是第三個(gè)頻率范圍是16-32Hz的振動，對人體有不良的振動，對人體有不良影響。影響。什么導(dǎo)致暈車暈船？什么導(dǎo)致暈車暈船？ 暈車暈船除了和人體的個(gè)體差異有關(guān)系以外還和人暈車暈船除了和人體的個(gè)體差異有關(guān)系以外還和人體的前庭平衡感受器有關(guān)系。運(yùn)動病又稱體的前庭平衡感受器有關(guān)系。運(yùn)動病又稱暈動病暈動病，是暈，是暈車、暈船、暈機(jī)等的總稱。車、暈船、暈機(jī)等的總稱。 它是指乘坐交通工具時(shí)，人體內(nèi)耳前庭平衡感受器它是指乘坐交通工具時(shí)，人體內(nèi)耳前庭平衡感受器受到過度運(yùn)動刺激，受到過度運(yùn)動刺激，前庭器官前庭器官產(chǎn)生過量生物電，影響神產(chǎn)生過量生物電，影響神經(jīng)中樞而出現(xiàn)的出

18、冷汗、惡心、嘔吐、頭暈等癥狀群。經(jīng)中樞而出現(xiàn)的出冷汗、惡心、嘔吐、頭暈等癥狀群。那為什么有些人不會暈車，有些人卻會暈?zāi)啬菫槭裁从行┤瞬粫炣?，有些人卻會暈?zāi)? 內(nèi)耳前庭器是人體平衡感受器官，可感受各種特定運(yùn)動狀態(tài)內(nèi)耳前庭器是人體平衡感受器官，可感受各種特定運(yùn)動狀態(tài)的刺激。當(dāng)我們乘坐的交通工具發(fā)生旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)彎時(shí)，或汽車的刺激。當(dāng)我們乘坐的交通工具發(fā)生旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)彎時(shí)，或汽車啟動、加減速剎車、船舶晃動、顛簸，電梯和飛機(jī)升降時(shí)，啟動、加減速剎車、船舶晃動、顛簸，電梯和飛機(jī)升降時(shí)，運(yùn)動刺激被感受到。每個(gè)人對這些刺激的強(qiáng)度和時(shí)間的耐受運(yùn)動刺激被感受到。每個(gè)人對這些刺激的強(qiáng)度和時(shí)間的耐受性有一個(gè)限度。性有一個(gè)限

19、度。如果刺激超過了這個(gè)限度就要出現(xiàn)運(yùn)動病癥狀。每個(gè)人耐受如果刺激超過了這個(gè)限度就要出現(xiàn)運(yùn)動病癥狀。每個(gè)人耐受性差別又很大，這除了與遺傳因素有關(guān)外，還受視覺、個(gè)體性差別又很大，這除了與遺傳因素有關(guān)外，還受視覺、個(gè)體體質(zhì)、精神狀態(tài)以及客觀環(huán)境（如空氣異味）等因素影響，體質(zhì)、精神狀態(tài)以及客觀環(huán)境（如空氣異味）等因素影響，所以在相同的客觀條件下，只有部分人出現(xiàn)運(yùn)動病癥狀。所以在相同的客觀條件下，只有部分人出現(xiàn)運(yùn)動病癥狀。為了考核列車的乘坐舒適度，需要對車體的振動加速度進(jìn)行評定，其評價(jià)指標(biāo)主要包括平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適平穩(wěn)性指標(biāo)、舒適度指標(biāo)。度指標(biāo)。評價(jià)鐵道車輛乘坐舒適性最直接的指標(biāo)是車體車體振動加速度振動加速度，為了更準(zhǔn)確地對舒適度進(jìn)行評價(jià)，不僅要考慮加速度的大小，還要考慮加速度振動頻率的影響。我國鐵路對對車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性分別按平穩(wěn)性指標(biāo)和車體振動加速度平穩(wěn)性指標(biāo)和車體振動加速度來評定。測定客車車體垂直和橫向加速度的加速度傳感器安裝在距1、2位心盤一側(cè)1000mm的車體地板面上，圖4-2 加速度測量點(diǎn)布置1垂直加速度傳感器；2橫向加速度傳感器 一、一、Sperling 平穩(wěn)性指標(biāo)平穩(wěn)性指標(biāo)歐洲鐵路聯(lián)盟（歐洲鐵路聯(lián)盟（UIC）以及前社會主義國家鐵路合作組）以及前社會主義國家鐵路合作組織（織（OCKII）均采用）均采用Sperling平穩(wěn)性指數(shù)來評定車輛的